Разное2 / ChemCAD / CC-TERM - руководство пользователя

теплообменник

Термическое сопротивление от загрязнений (Fouling factor) – Ввод этих данных обязателен. Введенные значения представляют собой термические сопротивления, вводимые для учета загрязнений стенок труб. Их величина определяется эмпирически и зависит от того, как часто будет производиться чистка труб. Значение по умолчанию для обеих сторон равно 0,001 (в британских единицах измерения).

СТРАНИЦА ЗАДАНИЯ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ (MODELING METHODS)

Для трубного пространства:

Ламинарное течение (Laminar Flow) – Задается уравнение расчета коэффициента теплоотдачи для пленки жидкости при конвективном механизме теплопередачи в случае ламинарного режима течения в трубном пространстве. Могут быть использованы следующие методы расчета:

Турбулентное течение (Turbulent Flow) – Задается уравнение расчета коэффициента теплоотдачи для пленки жидкости при конвективном механизме теплопередачи в случае турбулентного режима течения в трубном пространстве. Могут быть использованы следующие методы расчета:

Падение давления за счет трения для однофазного потока (Single Phase Frictional Pressure Drop) – Задается метод расчета падения давления в трубах за счет трения. Могут быть использованы следующие методы расчета:

Падение давления за счет трения для двухфазного потока (Two Phase Frictional Pressure Drop) - Задается метод расчета потерь давления за счет трения для случая двухфазного потока. Выбранный метод будет использоваться для расчета потерь давления как в трубном, так и в межтрубном пространстве. Могут быть использованы следующие методы расчета:

Доля объема, не занятого жидкостью (Void Fraction) – Для расчета доли пространства, не занятого жидкостью, в двухфазном потоке используется модель расчета доли пор (void fraction). Результаты расчета будут использованы при вычислении перепада давления при наличии двух фаз. Могут быть использованы следующие варианты:

Конденсация на стенках вертикальных труб (Vertical Condensation) – Могут быть использованы следующие методы:

Для межтрубного пространства:

Однофазный поток (Single Phase) – Выбирается метод расчета перепадов давления и коэффициентов теплоотдачи в межтрубном пространстве в случае конвективного потока. Могут быть использованы следующие методы расчета:

14

Конденсация при ламинарном режиме течения (Laminar Condensation) – Для расчета коэффициента теплоотдачи для конденсирующейся пленки в случае ламинарного режима течения используется модель конденсации при ламинарном режиме течения. Могут быть использованы следующие методы расчета:

Конденсация при турбулентном режиме течения (Turbulent Condensation) - Для расчета коэффициента теплоотдачи для конденсирующейся пленки в случае турбулентного режима течения используется модель конденсации при турбулентном режиме течения. Могут быть использованы следующие методы расчета:

принудительной конвекции:

Корреляция для многокомпонентной смеси (Multicomponent Correlation) – В случае выбора данной опции для расчета неизотермической конденсации (т.е. конденсации многокомпонентной смеси) будет использован метод Silver- Bell-Ghaly (SBG). Наличие отметки в данном поле указывает на использование метода SBG (принимается по умолчанию). Литература: C1, C2.

Ориентация (Orientation) – Горизонтальный (Horizontal) или вертикальный (Vertical).

ДИАЛОГОВОЕ ОКНО ЗАДАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОСИФОННОГО РЕБОЙЛЕРА

Если теплообменник представляет собой термосифонный ребойлер, вам может понадобиться расчет количества циркулирующей среды. Для выполнения этого расчета необходимо знание геометрии входного и выходного трубопровода и величины имеющегося гидростатического напора. Для ввода этих данных служит диалоговое окно

Задание параметров термосифонного ребойлера (Thermosyphon Reboiler Specifications), которое выводится на экран непосредственно после закрытия окна задания основных параметров теплообменника (General Specifications) (только в том случае, если проектный или поверочный расчет выполняется для термосифонного теплообменника).

Вид данного диалогового окна показан ниже:

Большая часть полей данного окна предназначена для ввода характеристик входного и выходного трубопроводов. Эти данные, а также заданное значение гидростатического напора, определяют скорость циркуляции. Задаваемое значение гидростатического напора (соответствующее поле окна диалога называется «Гидростатический напор на входе» (“Inlet Static Head”)) равно разности уровня жидкости в кубе колонны и уровня трубной решетки, ближайшей к входу жидкости в ребойлер.

Ниже приводится описание полей данного окна.

Расчет скорости циркуляции (Calculate Circulation Rate): Наличие отметки в данном поле, расположенном слева в верхней части окна диалога, сообщает программе о необходимости выполнения расчета рециркуляции среды через термосифонный теплообменник. Расчет производится путем уравнивания общего перепада давления в системе и

15

заданной величины гидростатического напора на входе в аппарат. При этом программа выполняет пошаговый расчет расхода жидкости на входе в ребойлер.

Если данное поле не отмечено, СС-ТЕРМ не пытается выполнить расчет скорости рециркуляции. Значение расхода на входе в ребойлер берется из расчета технологического процесса в ХЕМКАД’е.

Массовая доля пара в выходном потоке (Outlet Mass Vapor Fraction): Доля пара в потоке, выходящем из ребойлера. Данный параметр должен быть задан в массовых единицах.

Если выполняется расчет скорости циркуляции, то данное значение будет вычислено программой. Исходное значение, используемое при расчете, берется из данных расчета тепловой кривой.

Если расчет скорости циркуляции не производится, то данное значение может быть задано пользователем. Тепловой баланс, рассчитанный при заданном значении доли пара, в свою очередь задает значение расхода жидкости на входе в аппарат. Затем вычисляется величина перепада давления при данном значении расхода, однако не производится попытки достижения сходимости рассчитанного значения с заданной величиной гидростатического напора.

Значение, принимаемое по умолчанию, всегда берется из данных расчета тепловой кривой.

Перепад высоты на выходе (Outlet Elevation): Принимается равным разности высот между выходным патрубком (патрубками) ребойлера и патрубком, через который технологический поток возвращается в колонну.

Гидростатический напор на входе (Inlet Static Head): Разность высот между поверхностью жидкости в кубе колонны и высотой трубной решетки, ближайшей к входному патрубку.

Данное значение задается в единицах высоты столба жидкости, образующей технологический поток. Если программа выполняет расчет скорости циркуляции среды в аппарате, то задание значения в данном поле является обязательным. Ввиду этого программа всегда использует некоторое значение данного параметра, принятое по умолчанию. В ходе расчета скорости циркуляции величина расхода входного потока варьируется до достижения сходимости значений расчетного перепада давления на участке от выходного патрубка колонны до патрубка, через который технологический поток возвращается в колонну, и заданной величины гидростатического напора на входе в аппарат.

Число входных патрубков (No. of Inlet Nozzles): Число входных патрубков самого ребойлера со стороны технологического потока. Для случая вертикального термосифона значение данного поля всегда будет равным единице. В то же время в случае горизонтального термосифонного ребойлера (наличия термосифонного эффекта в межтрубном пространстве) входных патрубков может быть несколько (в зависимости от типа кожуха в соответствии со стандартами TEMA). СС-ТЕРМ не считывает данное значение автоматически, поэтому в случае, когда оно не равно единице, его необходимо ввести. Наличие нескольких входных патрубков оказывает влияние на выполнение расчета перепада давления со стороны технологического потока.

Число выходных патрубков (No. of Outlet Nozzles): Число выходных патрубков самого ребойлера со стороны технологического потока. Для случая вертикального термосифона данное значение почти всегда будет равным единице (принимается по умолчанию). В то же время в случае горизонтального термосифонного ребойлера (наличия термосифонного эффекта в межтрубном пространстве) выходных патрубков может быть несколько (в зависимости от типа кожуха в соответствии со стандартами TEMA). СС-ТЕРМ не считывает данное значение автоматически, поэтому в случае, когда оно не равно единице, его необходимо ввести. Наличие нескольких выходных патрубков влияет на выполнение расчета перепада давления со стороны технологического потока.

Число колен входного трубопровода (No. of Inlet Elbows): Задается число поворотов на 900 для трубопровода, выходящего из куба колонны и идущего ко входному патрубку (патрубкам) ребойлера. По умолчанию равно двум. При выполнении расчетов перепада давления значения гидравлического сопротивления для данного числа стандартных колен (900) будут добавлены к задаваемому ниже значению длины входного трубопровода.

Число колен выходного трубопровода (No. of Outlet Elbows): Задается число поворотов на 900 для выходного трубопровода, идущего от выходного патрубка (патрубков) ребойлера к патрубку колонны, через который происходит возврат в колонну технологического потока. По умолчанию равно 1. При выполнении расчетов перепада давления значения гидравлического сопротивления для данного числа стандартных колен (900) будут добавлены к задаваемому ниже значению длины выходного трубопровода.

Коэффициент надежности (Safety Factor): Данное значение необходимо только в случае, когда расчет скорости циркуляции не производится. Для вычисления окончательного значения перепада давления расчетная величина перепада давления умножается на коэффициент надежности.

ВХОДНОЙ ТРУБОПРОВОД (INLET PIPE)

Длина (Length): Задается длина входного трубопровода (или общая эквивалентная длина всех сопротивлений) на участке от выходного патрубка колонны до входного патрубка ребойлера. По умолчанию данное значение принимается равным 15 футам.

Диаметр (Diameter): Задается диаметр входного трубопровода. По умолчанию он принимается равным диаметру входного патрубка ребойлера (если это значение известно). Здесь используется значение наружного диаметра труб.

Толщина (Thickness): Задается толщина стенки труб для входного трубопровода.

16

ВЫХОДНОЙ ТРУБОПРОВОД (OUTLET PIPE)

Длина (Length): Задается длина выходного трубопровода (или общая эквивалентная длина всех сопротивлений) на участке от выходного патрубка ребойлера до входного патрубка, через который технологический поток возвращается в колонну. По умолчанию данное значение принимается равным 10 футам.

Диаметр (Diameter): Задается диаметр выходного трубопровода. По умолчанию он принимается равным диаметру выходного патрубка ребойлера (если это значение известно). Здесь используется значение наружного диаметра труб.

Толщина (Thickness): Задается толщина стенок труб для выходного трубопровода.

При расчете требуемой скорости циркуляции не используются значения коэффициента надежности и требуемого гидростатического напора.

Загрузка значений, принятых по умолчанию (Load Default): Нажатие данной кнопки возвращает установки всех полей диалогового окна задания параметров термосифонного ребойлера (Thermosyphon Reboiler dialog box) к

значениям, принимаемым по умолчанию.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕННИКА

Опция задания геометрии теплообменника (Exchanger Geometry) используется, как правило, только в случае выполнения поверочного расчета. Она предназначена для того, чтобы дать пользователю возможность ввести подробные данные, характеризующие размеры и конструкцию теплообменника.

При выборе данной опции на экран выводится меню задания геометрии теплообменника:

Каждый из пунктов этого меню служит для вызова диалогового окна ввода, предназначенного для ввода подробных данных по соответствующим деталям теплообменника.

ТРУБЫ

С помощью окна диалога Задание параметров труб (Tube Specifications) задается информация о параметрах и расположении труб. Вид окна диалога представлен ниже:

Ниже приводится подробное описание полей данного диалогового окна.

Число труб (Number of tubes) - Данное поле меню используется только в режиме поверочного расчета, и в этом случае ввод параметра обязателен. Возможна ситуация, когда пользователь задает определенное количество труб, которое, как ему известно, является возможным для определенного размера кожуха, однако программа не выполняет расчет и выдает сообщение о том, что диаметр кожуха должен быть увеличен. В этом случае Вы должны перейти к окну задания зазоров (Clearance Specifications) и задать величину зазора между стенкой кожуха (по его внутреннему диаметру) и наружной границей трубного пучка (по внешнему диаметру трубного пучка). После этого программа воспринимает число труб, заданное пользователем. При использовании данной возможности следует соблюдать

17

осторожность, поскольку в этом случае программа способна воспринимать параметры, описывающие совершенно нереальную ситуацию. В режиме проектирования значение в этом поле не используется программой.

Число ходов по трубам (Number of tube passes) - В режиме поверочного расчета ввод параметра обязателен. При выполнении задачи проектирования в полном объеме более целесообразна оптимизация числа ходов программой. В случае значительной разности температур между трубным и межтрубным пространством, что обусловливает выбор аппаратов с перекрестным течением теплоносителей, было бы разумным ограничить число ходов по трубам одним (или двумя, при использовании кожуха типа F). Для корректировки средней логарифмической разности температур может быть введен поправочный коэффициент, однако его величина должна составлять не менее 0,5. При меньших значениях поправочного коэффициента программа прекращает вычисления и выдает сообщение об ошибке. При значениях поправочного коэффициента менее 0,5 достижение заданных условий процесса становится невозможным с точки зрения термодинамики.

Наружный диаметр труб (Tube Outer Diameter) - Ввод диаметра труб не является обязательным. Если эта величина не введена, то по умолчанию принимается (стандартное) значение, равное 3/4 дюйма (19,05 мм).

Толщина стенок труб (Tube wall thickness) - Ввод толщины стенок труб не является обязательным. По умолчанию принимается значение данного параметра для труб типа BWG16 (0,065 дюйма, или 1,65 мм).

Длина труб (Tube length) - Ввод параметра обязателен в режиме поверочного расчета. При работе в режиме проектирования наиболее целесообразна оптимизация этого параметра программой. Оптимизация начинается с минимальной длины труб, равной 6 футам (1,83 м), для теплообменников с кожухом малого диаметра (D = 6 дюймов, или 160 мм) и заканчивается при максимальной длине труб, равной 20 футам (6,1 м), для теплообменников с диаметром кожуха 14 дюймов (350 мм) и более. Если желательно проведение оптимизации по этому параметру вплоть до значений более 20 футов {или отличных от этой величины) и вы не ввели фиксированного значения, то следует воспользоваться диалоговым окном задания параметров кожуха (Shell Specifications) для задания последовательного соединения нескольких аппаратов.

Шероховатость внутренней поверхности труб (Internal roughness) – Ввод коэффициента шероховатости внутренних стенок трубы. Введенное значение используется при расчете потерь давления за счет трения. По умолчанию принимается равным 0.00015.

Расположение труб (Tube pattern) – Схема расположения труб в трубных решетках. Возможны следующие варианты:

Шаг труб (Tube pitch) - Измеряется в дюймах или в миллиметрах. Расстояние между центрами труб в трубном пучке. Значение по умолчанию принимается равным 1,25 диаметра трубы.

Коды Trufin для оребренных труб (Trufin tube code) – В случае использования оребренных труб выберите требуемый тип труб в падающем списке. Данные по оребренным трубам хранятся в банке данных (каталог CC5). По умолчанию используются гладкие трубы.

Турбулизатор потока (Turbulator) – В случае использования турбулизаторов потока выберите требуемый тип в списке.

КОЖУХ

С помощью данного окна диалога задаются параметры кожуха. Вид окна задания параметров кожуха (Shell Specifications) представлен ниже:

18

Ниже приводится описание полей данного окна диалога.

Диаметр кожуха (Shell diameter) – При работе в режиме проектирования ввод данных в это поле обычно не производится. В случае выполнения поверочного расчета ввод данных в это поле обязателен.

Если кожух изготовляется из трубы, то в данном поле вводится значение условного диаметра трубы. При использовании кожуха из проката вводимое значение будет соответствовать внутреннему диаметру кожуха.

При проектировании программа использует кожух, изготовленный из трубы, для значений диаметра до 24 дюймов, после чего переходит к использованию кожуха из проката.

При использовании в проектном расчете теплообменников, соответствующих стандартам ASME (но не ТЕМА) или BS550, программа начинает расчет с значения диаметра, равного 2 дюймам (50 мм); при использовании стандартов DIN – с диаметра кожуха, равного 4 дюймам (100 мм), а при использовании стандартов ТЕМА – с 8 дюймов (200 мм).

Использовать в качестве кожуха стандартную трубу (Use standard pipe as shell) - Данный параметр может оказаться существенным при выполнении поверочного расчета. По умолчанию кожух, представляющий собой трубу, не используется (данное поле остается пустым), т.е. в режиме поверочного расчета программа предполагает, что кожух сделан из проката. Для кожуха из проката предполагается, что заданное значение диаметра соответствует действительной (точной) величине внутреннего диаметра. Если вы отметили данное поле (щелкнув по нему мышью) и программа находится в режиме поверочного расчета, то введенное значение диаметра будет воспринято программой как условный диаметр. Если данное поле не отмечено, то введенное в меню задания параметров кожуха значение диаметра воспринимается как внутренний диаметр кожуха.

В режиме проектирования данная опция теряет свое значение, поскольку программа выбирает фиксированные значения диаметра по умолчанию в зависимости от размера теплообменника. Если материалом кожуха является углеродистая сталь (по умолчанию), то вплоть до значения диаметра, равного 24 дюймам, программа предполагает, что кожух изготовляется из трубы. Если в качестве материала используется нержавеющая или низколегированная сталь, программа принимает, что кожух изготовляется из труб, вплоть до значения диаметра, равного 12 дюймам.

Число аппаратов при параллельном подключении (Number of exchangers in parallel) - По умолчанию равно единице (1). Может быть использовано любое положительное целое число.

Число аппаратов при последовательном подключении (Number of exchangers in series) - По умолчанию равно единице (1). Может быть использовано любое положительное целое число.

ПОПЕРЕЧНЫЕ ПЕРЕГОРОДКИ

Диалоговое окно задания параметров перегородок (Baffle Specifications) дает пользователю возможность задавать геометрические характеристики перегородок. Эта информация не является обязательной для ввода в режиме проектирования, однако в режиме поверочного расчета ее ввод необходим. Данное окно диалога имеет следующий вид:

19

следовательно, уменьшается собственная частота колебаний трубного пучка.

ПАТРУБКИ

Диалоговое окно задания параметров патрубков (Nozzles Specifications) дает возможность задать размеры патрубков либо информацию, которая будет использована программой для определения размеров патрубков. По умолчанию СС-ТЕРМ рассчитывает размеры патрубков как в режиме проектирования, так и в режиме поверочного расчета. При расчетах параметров патрубков программа делает попытку использовать 25% от заданного допустимого падения давления в патрубках, если не превышены ограничения по скорости; в последнем случае берется меньшая величина перепада давления. Данное окно диалога имеет следующий вид:

Ниже приводится описание полей данного окна диалога.

Диаметр патрубков (Nozzle diameter) - Диаметр во всех случаях является условным. Даже при поверочном расчете не обязательно вводить диаметр патрубка, поскольку программа рассчитывает данное значение, если оно не было введено.

С удлиненным вылетом (Longneck) - Если патрубки должны быть с удлиненными вылетами, сделайте в данном поле отметку, щелкнув по нему мышью. По умолчанию патрубки с удлиненными вылетами не используются.

Расположение (Orientation) – Расположение патрубков на кожухе. Возможны следующие варианты:

На противоположных сторонах (Opposite side) На одной и той же стороне (Same side)

По умолчанию принимается расположение патрубков на противоположных сторонах. Если вы хотите задать их расположение на одной и той же стороне, выберите опцию На одной и той же стороне (Same side). Это повлияет на число перегородок (в случае использования односегментных перегородок). При расположении патрубков на одной и той же стороне число перегородок будет четным, а для их расположения на противоположных сторонах – нечетным.

По умолчанию для кожуха типа J имеется 1 вход и 2 выхода. Выбрав опцию Opposite side (На противоположных сторонах), вы можете изменить данную установку на противоположную.

21

Есть переходный патрубок? (Reducer Present?) (Y/N) ((Y/N) - Данная опция обычно используется, если необходимо использовать отбойную пластину и пользователь хочет свести к минимуму число труб, которые нужно снять, чтобы разместить отбойную пластину. Когда переходный патрубок используется на входном патрубке, отбойная пластина обычно помещается в его расширенной части, и тогда не требуется удаления труб из трубного пучка. Программа начинает расчет с номинальных размеров переходного патрубка на три размера больше, чем размер входного патрубка на корпусе. Так, если входной патрубок задан диаметром 10 дюймов, программа примет расширение до 16 дюймов. Если отбойную пластину невозможно поместить в переходном патрубке вследствие превышения ограничения перепадов давления, программа перестанет использовать переходный патрубок на входе и должна поместить отбойную пластину на трубном пучке. При использовании данного варианта нужно задать параметры входного патрубка на корпусе. Данную опцию можно применять в связи с последующими, что позволяет задать увеличенный размер патрубка.

Задание диаметра переходного патрубка (Specify reducer diameter) – Данная опция используется только в связи с предыдущим пунктом меню, если он был отмечен. В случае ввода данных в это поле в данном окне диалога должен быть также задан диаметр входного патрубка. Предполагается, что диаметр переходного патрубка соответствует наибольшему из двух этих значений диаметра.

ЗАЗОРЫ

Диалоговое окно задания величины зазоров (Clearances) позволяет задать допустимые величины зазоров для теплообменника. Зазоры могут существенно влиять на число труб, а также на процесс теплообмена в межтрубном пространстве и значения перепада давления.

Задание зазоров не является обязательным ни при проектировании, ни в режиме поверочного расчета. Если величина зазоров не задана пользователем, СС-ТЕРМ задает эти значения в соответствии со следующими правилами:

В режиме проектирования характеристики зазоров устанавливаются согласно стандарту ТЕМА. Поскольку внутренний диаметр кожуха выбирается исходя из существующих стандартов и поэтому является фиксированным, число труб подбирается таким образом, чтобы заполнить пространство, определяемое параметрами кожуха и величиной зазоров. Изменение величины зазоров в окне диалога Зазоры (Clearances) приводит к необходимости изменить число труб для данного диаметра аппарата.

В режиме поверочного расчета, если зазоры не были заданы пользователем, данная процедура выглядит несколько иначе. Внутренний диаметр кожуха и число труб задаются пользователем. Исходя из количества труб вычисляется граница трубного пучка. Зазоры между трубой и отверстием в перегородке, между кожухом и перегородкой, а также размеры прокладок и болтов (при закреплении плавающей головки) будут соответствовать выбранному стандарту. Зазоры между кожухом и границей трубного пучка, а также между границей перегородки и границей трубного пучка берутся как разность соответствующих параметров. Если значение разности является отрицательным, программа выдает сообщение о том, что число труб не соответствует диаметру кожуха. Если значение зазора (слишком) велико, то в режиме поверочного расчета программа будет использовать эту величину зазора. Это может привести к получению заниженных значений коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве и перепада давления.

Поскольку сборка труб в трубный пучок в некоторой степени представляет собой вопрос искусства, а не чистой науки, пользователь может захотеть использовать в режиме поверочного расчета заданные им величины зазоров, количество труб и внутренний диаметр кожуха, даже если программа расчета количества труб СС-ТЕРМ’а будет сообщать, что данные параметры несовместимы между собой. Программа позволяет осуществлять такие операции, и в этом случае при поверочном расчете будут использованы заданные зазоры и заданное количество труб. При этом в ходе расчета внутренний диаметр кожуха принимается равным сумме наружного диаметра трубного пучка и величины зазора между кожухом и трубным пучком, однако при выводе данных будет использовано заданное значение внутреннего диаметра кожуха. При таком подходе пользователь полностью контролирует ход расчета.

Диалоговое окно задания величины зазоров (Clearances) имеет следующий вид:

Ниже приводится описание полей данного окна.

Между перегородкой и кожухом (Baffle to shell) - Зазор между внутренней стенкой кожуха и перегородкой. Данный зазор задается на основе диаметра. Поэтому, если реальный зазор между перегородкой и стенкой кожуха равен 0,25

22